Capitolo 3 ( Conoscenza base dei materiali ) Cemento

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1 ... cenni storici: Solitamente Aspdin 1 è considerato come l inventore del cemento Portland (1824) ma questo cemento Aspdin non è stato prodotto a una temperatura alta abbastanza per essere il precursore del moderno cemento Portland. Ciononostante, la sua è stata una grande innovazione per questo le scoperte sucessive possono essere considerate come mera evoluzione. Pochi anni dopo, nel 1845, Isaac Johnson 2 fece il primo cemento Portland ricavato dalla cottura di un miscuglio di gesso e argilla a temperature molto più alte (1400C-1500C), simili a quellie utilizzate oggi. Fabricazione del cemento Portland: La fabbricazione avviene in tre fasi: 1) preparazione della miscela grezza dalle materie prime. 2) produzione del clinker 3. 3) preparazione del cemento. I minerali che servono per la produzione del Portland e le percentuali possibili sono: - CaO ossido di calcio (44%), - SiO 2 ossido di silicio (14,5%), - Al 2 ossido di alluminio (3,5%), - Fe 2 ossido di ferro (3%), - MgO ossido di magnesio (1,6%). L estrazione avviene in apposite cave vicine alla fabbrica, per eliminare la spesa del trasporto, le pietre estratte devono già avere la composizione desiderata, altrimenti è necessario aggiungere argilla o calcare, oppure minerale di ferro, bauxite o altri materiali residui di fonderia. 1) La pietra viene prima macinata come farina, poi riscaldata (calcinazione) a tempertre di circa ( ) gradi così il calcare si scinde in ossido di calcio (CaO) ed in biossido di carbonio (CO 2 ). 2) le polveri così ottenute continuano la salita in temperatura fino al limitare della vetrificazione nel forno a cilindro denominato Klin, fino a temperature di 1500 C così l ossido di calcio reagisce con l alluminato di tricalcio (Ca 3 Al) e Alluminoferrite di tricalcio (Ca 3 AlFe), ne risulta un materiale chiamato CLINKHER. 3) Per migliorare le caratteristiche del prodotto al clinker vengono aggiunti dei materiali quali (gesso, calcare, loppa 4, pozzolana) così otteniamo tipologie diverse di cemento Portland. 1 Joseph Aspdin (dicembre? marzo 1855) britannico produttore di cemento che hanno ottenuto il brevetto di cemento Portland il 21 ottobre Isaac Johnson Isaac Charles Johnson 28 Gen novembre 1911 è stato un produttore di cemento britannico, e un pioniere del cemento Portland industriale. 3 Il clinker è il componente base per la produzione del cemento 4 Loppa è un sottoprodotto del processo di produzione della ghisa, durante il quale si formano grandi quantità di scoria che raffreddata velocemente diventa fragile e porosa, poi frantumata diventa loppa. Pag. 1

2 Nella tabella riportiamo i principali cementi comuni e le loro composizioni secondo le normative UNI EN 197/1 del 2001 che ne regolano la qualità. La normativa prevede 5 tipologie di cementi Portland: ordinario - CEM I; modificato - CEM II; a rapido indurimento - CEM III; a basso calore di idratazione - CEM IV; resistente ai solfati - CEM V. Pag. 2

3 Capitolo 3 (Ettringite) L ettringite gioca più ruoli nel determinare il comportamento del calcestruzzo. A seconda delle circostanze e delle condizioni la sua formazione può essere benefica o negativa. Da un punto di vista chimico l ettringite è un trisolfo-alluminato di calcio idrato: (3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O). Tuttavia il suo comportamento ed i suoi effetti sulle prestazioni del calcestruzzo sono poco correlabili con la sua composizione chimica, quanto piuttosto con le modalità ed i tempi di formazione. Formazione di Ettringite IL RUOLO POSITIVO: L ETTRINGITE PRIMARIA La formazione di ettringite svolge sicuramente un ruolo positivo nella regolazione della presa del cemento portland. Quest ultimo è sostanzialmente costituito da due componenti: il clinker, ed il gesso (solfato di calcio idratato CaSO4. 2H2O) che viene aggiunto, in misura di circa il 5%, nel mulino di macinazione del cemento. In assenza di gesso, il clinker (ed in particolare un suo componente molto reattivo l ossido di alluminio tricalcico abbreviato in C3A) provocherebbe una presa così rapida (subito dopo la miscelazione con acqua) da rendere impraticabile il trasporto del calcestruzzo. Formazione di Ettringite Primaria La presa rapida è associata alla trasformazione del C3A in lamine esagonali di alluminati di calcio idrati abbreviati in C-A-H. La funzione del gesso è quella di reagire proprio con il C3A in presenza di acqua provocando il deposito di ettringite (in forma di una pellicola che avvolge la superficie del C3A) ed arrestando momentaneamente, o comunque ritardando fortemente, l ulteriore idratazione del C3A e la formazione di C-A-H. Il risultato di questo processo, altamente positivo, è quello di far avvenire la presa del cemento in un tempo più lungo (almeno un ora). Per comodità definiremo primaria questa ettringite che si forma nella fase della presa del cemento. La formazione della pellicola di ettringite è però accompagnata da un aumento di volume, derivante dal fatto che l ettringite è più voluminosa rispetto ai prodotti (C3A, acqua e gesso) che la generano. Se la formazione di ettringite è limitata e si esaurisce in breve tempo, cioè se si manifesta all interno di un sistema deformabile (come è il calcestruzzo nella fase plastica nelle prime ore di vita), allora l incremento di volume, oltre ad essere modesto, non provoca sostanzialmente tensioni all interno del materiale. Se, invece, la formazione di ettringite fosse abbondante e si protraesse per molto tempo (quando ormai il calcestruzzo è diventato molto rigido), allora l aumento di volume potrebbe provocare pericolose Distruzione da Ettringite/Taumasite tensioni con conseguenti fessurazioni dei manufatti cementizi. Pag. 3

4 (Presa) Reazioni all idratazione del cemento (quando il cemento solidifica): Il fenomeno di idratazione del cemento passa attraverso due fasi importanti quali, la presa e l indurimento, tale processo è legato alle trasformazioni chimico-fisiche che avvengono tra il cemento e l acqua d impasto. Le reazioni chimiche più importanti, dal punto di vista della resistenza meccanica sono le seguenti: Presa, (non prima di 45 min non dopo le 12 h dipendente dal clima): La presa è un processo nel quale un cemento agglomerato (calcestruzzo o malta), a seguito di una reazione chimica con l acqua, perde la propria lavorabilità e nel giro di qualche ora, si irrigidisce. Appena terminata la presa avremo un composto rigido non modellabile ma non ancora con i requisiti di resistenza meccanica peculiari. Le reazioni chimiche che avvengono in questo processo sono, schematizzando, le seguenti. Con la formazione della pasta cementizia l acqua circonda le particelle di cemento le quali cominciano subito a reagire dando luogo ad uno strato di prodotti di reazione Ca 3 Al (alluminato tricalcico) che continua ad aumentare velocemente di volume a spese dell acqua e delle particelle stesse di cemento, fino a riempire tutto lo spazio disponibile irrigidendo il composto cementizio. Per rallentare la presa si aggiunge CaSO 4 (gesso) che libera SO 4 -- (ioni solfato) e Ca 2 + (ioni di calcio) che reagiscono con gli ioni di Ca 3 Al (alluminato tricalcico) portando alla formazione di ETTRINGITE la quale ricopre le particelle di cemento che stanno reagendo rallentandone il processo di idratazione. Le reazioni chimiche più importanti sono la formazione di alluminati e silicati idrati di calcio, i primi sono responsabili della presa, poiché si idratano molto rapidamente, ( contribuiscono in maniera poco significativa allo sviluppo della resistenza meccanica tranne che durante le prime ore), i secondi invece determinano l indurimento ed a questi ultimi sono dovute le proprietà leganti del cemento e di conseguenza la resistenza meccanica del materiale. Questo è dovuto principalmente alla morfologia dei prodotti idaratati, infatti i cristallli alluminati idrati di calcio hanno una forma di lamine esagonali o cristalli cubici pertanto poco idonei allo sviluppo della resistenza meccanica che invece è facilitata dalla natura prevalentemente fibrosa dei cristalli di silicati idrati di calcio. Questo è spiegabile nel seguente modo: quando i cristalli dovuti all idratazione dei composti alluminati, ispessandosi iniziano a toccarsi fra loro collegando i granuli di C3A e C4AF 1 adiacenti, il sistema perde la sua plasticità e inizia a fare presa 1 C4AF allumino-ferrito tetracalcico Pag. 4

5 (Indurimento) Indurimento, (28 giorni standardizzato per il 90%): L indurimento e pertanto il potere legante del cemento è dovuto in gran parte alla formazione dei silicati idrati di calcio (CSH) mentre la formazione dei silicati idrati di alluminio (ASH) sono la causa principale della presa. Tra le tipologie di silicati, quello tricalcico alite 1 è più rapido nel reagire con l acqua e nello sviluppare la resistenza meccanica. Questo determina, a breve scadenza, un diverso comportamento dei cementi Portland in cui è maggiore la percentuale di silicato tricalcio rispetto a quello bicacalcico. Infatti i cementi ricchi di alite (silicato tricalcico Ca 3 O SiO 2 ) raggiungono una buona resistenza meccanica già a pochi giorni dal getto, e comportano, come vedremo in seguito, un maggiore sviluppo del calore di idratazione. A lunghe maturazioni invece i prodotti di idratazione dei due silicati portano agli stessi valori della resistenza meccanica pertanto in tempi lunghi il comportamento meccanico del conglomerato cementizio è indipendetemente dal rapporto alite/belite 2. Grafico Presa e Indurimento RESISTENZA Un altra differenza fra i due silicati è che durante l idratazione del silicato tricalcico viene prodotta una maggiore percentuale di Ca(OH) 2 3 (30-40%) rispetto a quella prodotta durante l idratazione del silicato bicalcico (10-15%). Pertanto cementi più ricchi di silicato bicalcico sono più indicati nel caso ad esempio di acque dilavanti o attacco solfatico. 1 alite Sinonimo del silicato tricalcico (3CaO SiO2, che nella chimica del cemento per brevità diventa C3S), uno dei costituenti principali del clinker di Portland. Il nome alite fu introdotto per la prima volta da Törneborn nel belite Sinonimo del silicato bicalcico (2CaO SiO2 che nella chimica del cemento per brevità diventa C2S), uno dei costituenti principali del clinker di Portland. Il nome belite fu introdotto per la prima volta da Törneborn nel Ca(OH) 2 Idrossido di calcio, L idrossido di calcio è un composto con formula chimica Ca(OH) 2. È un cristallo incolore o una polvere bianca Pag. 5

6 Nella tabella che segue vediamo le classi di resistenza alla compressione secondo le UNI EN 197/1. I numeri evidenziati in rosso corrispondono alla forza espressa in MPa (MegaPascal), oppure N/mm 2 (Newton millimetro quadrato) che servono per raggiungere la rottura di un blocco test realizzato (secondo normativa) con rapporto Sabbia/ pari a 3 ed un rapporto Acqua/ pari a 0,5: Classe 32,5N Resistenza a compressione iniziale a 7 gg 16 Resistenza a compressione a 28 gg 32,5 52,5 Classe 32,5R Resistenza a compressione iniziale a 2 gg 10 Resistenza a compressione a 28 gg 32,5 52 Classe 42,5N Resistenza a compressione iniziale a 2 gg 10 Resistenza a compressione a 28 gg 42,5 62 Classe 42,5R Resistenza a compressione iniziale a 2 gg 20 Resistenza a compressione a 28 gg 42,5 62 Classe 52,5N Resistenza a compressione iniziale a 2 gg 20 Resistenza a compressione a 28 gg 52,5 Classe 52,5R Resistenza a compressione iniziale a 2 gg 30 Resistenza a compressione a 28 gg 52,5 Alcune controindicazioni del cemento : 1) tendenza a trattenere a lungo l umidità, una volta idratato rilascia a fatica H 2 O in forma di vapore 2) azione schermante dai campi elettromagnetici, per l effetto (gabbia di Faraday), in quanto il cemento armato è costituito internamente da una intelaiatura di ferro. Ferma le trasmissio ni a radiofrequenza; cellulari Tv etc.. 3) mancanza di igroscopicità (come sopra punto 1) che rende i muri semi-impermeabili al passaggio del vapore, è quindi inesistente (il μ equivale a 70) lo scambio di umidità con l am biente; condensazione formazione di goccioline di superficie. 4) scarsa capacità isolante termica (trasmittanza elevata) formazione di ponti termici. 5) fastidiosa trasmissione di rumori e vibrazioni, classe di assorbimento acustico (αw 0,01). 6) scarsa inerzia termica, (dilatazioni repentine) difficolta di collaborazione con i mattoni di argilla, con conseguenti crepe e distacchi. 7) rigidità che non asseconda gli assestamenti e causa la formazione di crepe; 8) in presenza di elementi ossidanti quali CL 2 (cloruri) unitamente ad un ambiente alcalino con presenza di HO+ (ossidrili) le armature interne in ferro FE++ possono ossidarsi completamente e quindi essere inutili dal punto di vista statico. 9) non si può ignorare che la produzione del cemento e del calcestruzzo, opera una demoli zione di montagne ed una distruzione di falde e letti fluviali. 10) dove avviene la produzione, la polvere prodotta dai processi industriali si deposita ovunque, sul suolo, sui fondali dei laghi e dei mari soffocandovi ogni forma vivente. Pag. 6

7 Diamo spazio ad altre due forme di cemento, nell utilizzo generale troviamo: Il cemento Bianco: Si può dire equivalente al classico cemento grigio come resistenza alla compressione, si differenzia solamente nella sua assenza di colorazione perciò si presta ad essere pigmentato 1 oppure colorato con opportuni ossidi 2. la sua realizzazione contrariamente ai cementi ferrici (grigi), i cementi bianchi hanno un modulo dei fondenti 3 (ossido di ferro/ossido di alluminio) molto alto, pari a 10. Essi conterranno dunque una percentuale bassissima di Fe 2. (Il colore bianco è dovuto appunto alla carenza di ferro che invece conferisce un colore grigiastro al portland ed un grigio più scuro al cemento ferrico). Ma poiché Fe 2 è il componente che permette la fusione nella fase di cottura, la sua azione fondente sarà ripristinata aggiungendo fondenti quali la fluorite 4 (CaF 2 ) e la criolite 5 (Na 3 AlF 6 ). I cementi bianchi vengono spesso impiegati per confezionare calcestruzzi a vista dove vengono utilizzati anche inerti di colore chiaro. Vi è un nuovo cemento fotocatalittico 6 (che reagisce con la luce del sole) TX Active del Gruppo Italcementi nel quale la luce induce i fotocatalizzatori di superfice alla formazione di reagenti fortemente ossidanti che sono in grado di decomporre le sostanze organiche (come le muffe), inorganiche inquinanti: polveri sottili, gli aromatici policondensati, gli ossidi di azoto, carbonio e zolfo (generati prevalentemente da fumi delle auto e dei riscaldamenti). Una volta decomposti possono essere dilavati dall acqua piovana mantenendo pulite le superfici e l atmosfera. a presa rapida: Il cemento a presa rapida, anche detto cemento di pronta, ha la caratteristica di solidificare in pochi minuti dal momento di miscelazione con acqua. Si produce in modo simile al cemento Portland, ma con temperature di cottura inferiori. La velocità di presa dipende sia dalla quantità e qualità degli additivi che dalla quantità di gesso di miscela. Varie combinazioni di (bicarbonato di calcio) CaC 2, (calcio idrato) CH e cemento Portland portano alla rapida formazione di Ettringite, con abbondante assorbimento d acqua e con accelerazione del fenomeno della presa. Questa particolare combinazione, se ci permette di avere prese rapide e particolarmente resistenti, al contempo, per la formazione di Ettringite (igroscopica) il composto subira variazioni importanti di volume in presenza di H 2 O; sarà quindi tassativo l utilizzo di questo cemento, in situazioni particolarmente assenti da umidità. Si utilizza da solo o miscelato con sabbia (malta) ed è indicato per piccoli lavori di fissaggio e riparazione, mai superficialmente perche non venga a contatto con l umidità relativa dell atmosfera. 1 Pigmentare chimica. Colorare qualcosa. con pigmenti, un pigmento è una sostanza utilizzata per cambiare colore ad un materiale. Ciò che distingue un pigmento da un colorante è l incapacità di sciogliersi 2 L ossido è un composto chimico che si ottiene facendo reagire l ossigeno con un altro elemento. Nel 18 secolo gli ossidi erano chiamati calci. 3 I moduli dei fondenti sono valori caratteristici di ogni cemento o calce, che permettono di conoscere in che relazione stanno i diversi componenti in percentuale del prodotto finale. 4 fluorite chiamata anche fluorina o spatofluore è un minerale piuttosto comune composto da fluoruro di calcio nota per la sua luminescenza. 5 criolite è un sale complesso di alluminio, fluoro e sodio 6 fotocatalittico è il fenomeno naturale attraverso il quale una sostanza, detta fotocatalizzatore, grazie all azione della luce solare o artificiale, produce un forte processo di ossidazione che decompone le sostanze inquinanti organiche e inorganiche trasformandole in sostanze innocue. Pag. 7